Der Stator weist eine Erregerspule auf, welche sich über den Meßweg erstreckt und mit Wechselstrom gespeist wird, und dessen Magnetfeld ein mit dem Schlitten ver- bundenes Obertragerelement in Form eines weichmagneti- schen Kerns und/oder einer Spule durchflutet, welches wiederum eine mit dem Stator verbunden Sekundärwicklung durchflutet und dort eine von der Lage des Schlittens abhängige Spannung induziert. Diese Sekundärwicklung besteht aus einer Windung, von der über den Meßweg ver- teilt Teilspannungen durch entsprechende Abgriffe ge- wonnen werden. Durch Mittelung der Teilspannungen wird eine Spannung erzeugt, welche von der Position des Schlittens abhängig ist. Die Mittelung kann durch Wi- derstände oder auch andere elektrische Komponenten er- folgen. Anstelle von diskreten Bauteilen können auch Widerstandsschichten oder Kapazitätsbeläge verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung, bei der die Erregerwicklung aus einer einzigen Windung be- steht, wobei Gehäuse und Führungen als Spule dienen.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch die Ausbil- dung des Übertragerelements als Schwingkreis, wodurch die Ausbildung von Streufeldern stark verringert wird.

Vorteilhaft ist dabei, wenn der Sensor mit der Reso- nanzfrequenz dieses Schwingkreises betrieben wird, in- dem der Schwingkreis als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators eingesetzt wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Mes- sung von Winkeln nach dem Oberbegriff der Ansprüche 13, 14 und 16.

Der Vorteil induktiver Weg-/Winkelsensoren liegt in der geringen Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen und anderen Umwelteinflüssen. Allgemein bekannt sind Diffe- rentialdrosseln, bei denen ein weichmagnetischer Kern in zwei Spulen geführt wird, welcher die Induktivität der zwei Spulen durch seine Lage so beeinflußt, daß zwischen den beiden in Reihe geschalteten an Wech- selspannung angeschlossenen Spulen eine von der Positi- on abhängige Spannung abgegriffen werden kann. Dieser Aufbau hat den Nachteil, daß die Baulänge der Spule mindestens den doppelten Meßweg ausmacht und zusätzlich der mechanische Anschluß des Kerns in der Endstellung noch um den Meßweg hinausragt, sodaß eine Einbaulänge von mindestens dem dreifachen Meßweg erforderlich ist.

Zusätzlich wird das Meßergebnis durch den Temperatur- gang des Wicklungswiderstands und der Permeabilität des verwendeten Magnetmaterials beeinflußt.

Daneben werden Lösungen vorgeschlagen, bei denen in ei- ne Spule entweder Kurzschlußzylinder oder Kerne hoher Permeabilität eingeschoben werden, wobei die Verände- rung der Induktivität der Spule als Maß für die Positi- on des Kerns verwendet wird. Diese Lösungen weisen ge- genüber den Differentialtransformatoren den Vorteil ei- ner kürzeren Baulänge auf. Bei ausgefahrener Meßstange ist allerdings immer noch mindestens der doppelte Meß- weg erforderlich. Daneben wirkt sich der Temperaturgang des Wicklungswiderstands und des Kerns stärker auf das Temperaturverhalten aus.

Aus der DE-A-2511683 ist es bekannt, durch Einkopplung einer Spannung von einer Erregerwicklung über einen Kern hoher Permeabilität in eine Meßwicklung mit zuneh- mender Windungsdichte ein geeignetes Meßsignal zu er- zeugen. Dieses Verfahren hat den Vorteil einer kurzen Baulänge, hat aber den Nachteil, daß an die Verteilung des Magnetfelds über die Fläche der Meßspule und an die Gestaltung der Meßspule hohe Anforderungen gestellt werden.

Ferner ist aus der WO 94/03778 eine Ausführung bekannt, bei der an einer Spule durch einen Kurzschlußring eine Verringerung des Spannungsabfalls innerhalb eines Teil- bereichs der Spule erzeugt wird und durch Widerstände oder Kondensatoren von Abgriffen an der Spule ein von der Position des Kurzschlußrings abhängiges Signal ge- bildet wird. Damit erhält man einen Sensor mit kurzer Baulänge. Nachteilig ist der Einfluß des Wicklungswi- derstands und der Streuinduktivitäten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der oben genannten Vorrichtungen zu beseitigen und einen Wegsen- sor vorzuschlagen, der mit einfachen Mitteln aufzubauen ist und eine hohe Genauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1,2,13,14 und 16 gelöst. Vorteilhafte Aus- führungsformen sind Gegenstand der auf diese rückbezo- genen Unteransprüche.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfin- dung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich- nung beschrieben.

Es zeigen Fig. 1 und la eine schematische Darstellung des erfin- dungsgemäßen Sensors,.

Fig. 2 ein Diagramm des Magnetflusses und des dadurch bewirkten Spannungsverlaufs an der Meßwicklung über die Länge der Wick- lung, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer einzi- gen Windung als Erregerwicklung, Fig. 4a und 4b einen Querschnitt durch ein Ausführungs- beispiel, bei dem die Auswirkung des un- erwünschten Streufelds verringert wird, Fig. 5a und 5b eine Ausführung, bei der durch geeignete Anordnung der Erregerwicklung die Ein- kopplung des Streufelds unwirksam ge- macht wird, Fig. 6 eine Ausführung mit einem Meßkern mit zusätzlicher Wicklung und einem Konden- sator zur Bildung eines Schwingkreises, Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Aufbaus, in dem der Resonanzkreis als frequenzbe- stimmendes Element in einer Oszillator- schaltung verwendet wird, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Aus- führung, bei der die Meßspannung direkt an der Erregerwicklung abgegriffen wird, Fig. 9 einen Winkelsensor mit einer Ringspule und einem im Drehpunkt aufgesetzten Meß- kern gemäß der Erfindung ; Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel eines Winkelsen- sors mit einer Ringspule und einen au- ßerhalb des Drehpunkts aufgesetzten Meß- kern gemäß der Erfindung ; Fig. 11 einen Winkelsensor mit einem symmetri- schen Aufbau und Fig. 12 schematisch einen Winkelsensor mit einer Flachspule gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfin- dungsgemäßen Sensors. Eine Erregerwicklung 1, welche sich in ihrer Spulenfläche über die Länge 1 des Sensors erstreckt, wird von einer Wechselspannungsquelle 4 ge- speist. Ein aus einem Material hoher Permeabilität be- stehender Spulenkern 2 mit einem Luftspalt d ist ver- schieblich so geführt, daß er die Spule 1 durchdringt und sich in seinem Luftspalt ein Teil des Spannungstei- lerelements 3 befindet. Das Spannungsteilerelement 3 besteht aus einem Leiter 5, der sich am unteren Rand entlang über das Spannungsteilerelement 3 erstreckt, einem Leiter 8, der sich am oberen Rand über das Span- nungsteilerelement erstreckt, einem weiteren Leiter 7, der parallel zu Leiter 5 verläuft und einem leitfähigen Belag 9, der zwischen dem Leiter 8 und dem Leiter 7 liegt, der einen über die Meßstrecke über die Fläche verteilten Widerstand zwischen Leiter 8 und 7 bildet und in seiner Summe hochohmig gegenüber der Impedanz der von den Leitern 5 und 8 gebildeten Induktions- schleife ist.

Der von der Wechselspannungsquelle 4 gelieferte Strom durch die Spule 1 erzeugt einen magnetischen Fluß, der im Bereich des Kerns 2 über das Spannungsteilerelement 3 geführt wird, während das Spannungsteilerelement 3 im übrigen Bereich nur eine geringe Durchflutung aufweist.

Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm zeigt einen ideali- sierten Verlauf der Feldstärke und der Spannung über die Länge des Meßumformers. Bei dem Verlauf sind Randeffekte und das Streufeld nicht berücksichtigt. Im Bereich des Kerns tritt ein Magnetfluß # auf, der das Widerstandselement 9 durchflutet.

Durch die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes im Bereich des Luftspaltes des Kerns 2 wird im Leiter 8 gegenüber Leiter 5 und 7 eine Wechselspannung U (x) in- duziert. Die Wechselspannung U (x) ist proportional dem Integral über den über die Fläche integrierten Magnet- fluß 0. Dadurch bildet sich am Leiter 8 gegenüber dem Leiter 5 über die Position x ein Spannungsverlauf aus, der an der Position, gegenüber den Anschlüssen bis zum Kern 2 zunächst 0 ist und mit der vom Kern 2 überdeck- ten Fläche linear ansteigt und hinter dem Kern bis zu den Anschlüssen konstant bleibt (Fig. 2). Die über die Strecke 1 über die Fläche verteilten Widerstände, die zunächst als Widerstandsbelag betrachtet werden, bilden einen Summenwert Ro, der am Anschluß von Leiter 7 ge- genüber Leiter 5, bzw Leiter 8 festgestellt werden kann.

Betrachtet man den Widerstandsbelag als aus parallel geschalteten gleich großen Einzelwiderständen zusam- mengesetzt, die jeweils an unterschiedliche Spannungs- quellen angeschlossen sind, so ergibt sich für die Aus- gangsspannung : Wenn man n gegen M gehen UA = J uxh 4 y < 1 tao lä#t, ergibt sich dann Für den Spannungsverlauf nach Fig. 2 resultiert dann für einen Bereich 0 > s < (1-b) eine Ausgangsspannung von Damit ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Position s des verschiebbaren Kerns 2 und der Aus- gangsspannung Ua.

Der Leitwertbelag kann als durchgehende Fläche aus Wi- derstandsmaterial oder in Form einer hinreichenden An- zahl aus gleichmäßig verteilten diskreten Widerständen oder aus Kondensatorflächen oder einzelnen Kondensato- ren oder Kombinationen davon gebildet werden.

Da die Meßspule nur aus einer Windung besteht, ist die abgegebene Spannung verhältnismäßig niedrig. Zur Erlan- gung eines zur Auswertung brauchbaren Signals wird ein entsprechend hoher magnetischer Fluß durch das Span- nungsteilerelement benötigt, wobei der Streufluß der Primärspule 1 möglichst wenig in das Spannungstei- lerelement einkoppeln soll. Die induzierte Spannung ist eine Funktion der Frequenz, der in der Primärspule 1 erzeugten magnetischen Feldstärke, der Permeabiltät und dem Querschnitt des Kerns 2, des Luftspalts d des Kerns 2 und der Fläche des Kerns im Bereich des Luftspalts.

Zur Erlangung einer hohen Induktionsspannung bei nied- rigem Stromfluß ist es zweckmäßig, die Frequenz mög- lichst hoch zu wählen. Gerade bei großen Weglängen wird die Frequenz durch die Wicklungskapazität begrenzt. Da- neben ist die Herstellung einer geeigneten Spule rela- tiv aufwendig und das Einführen des verschieblichen Kerns in die Spule schwierig. Diese Schwierigkeiten können durch einen Aufbau beseitigt werden, in dem die Primärspule in Form einer einzigen Windung ausgeführt wird und durch einen Transformator eine Anpassung an die Schaltung zur Erzeugung der Speisespannung vorgese- hen ist. Fig. 3 zeigt eine schematische teilweise auf- brochene Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

Die von der Spannungsquelle 10 gelieferte Spannung wird vom Transformator 11 auf eine entsprechend niedrigere Spannung herabgesetzt. Die Sekundärwicklung des Trans- formators 11 ist mit einem Anschluß mit dem Gehäuse 12 und mit dem anderen Anschluß mit einer Schiene 13 ver- bunden, welche innerhalb des Gehäuses 12 parallel zur Innenwand liegt und am gegenüberliegenden Ende mit dem Gehäuse elektrisch verbunden ist. Dadurch fließt der Sekundärstrom des Transformators über die Schiene 13 und zurück über das Gehäuse 12. Zwischen Schiene 13 und Gehäuse 12 liegt der Kern 14, der einen durch den Strom über die Schiene 13 und Gehäuse 12 erzeugten magneti- schen Fluß durch das Spannungsteilerelement 15 leitet.

Die Rückleitung ist möglichst breit ausgeführt und in geringem Abstand zum Gehäuse angeordnet. Im Gegensatz zu einer normal gewickelten Spule bietet diese Anord- nung die Möglichkeit, die Geometrie so zu gestalten, daß eine möglichst niedrige Induktivität im Bereich au- ßerhalb des Kerns 14 entsteht, sodaß der Spannungsab- fall überwiegend im Bereich des Kerns 14 in Folge sei- nes geringen magnetischen Widerstands auftritt. Diese Anordnung weist eine Resonanzfrequenz auf, die weit oberhalb der für diese Anordung erforderlichen Frequenz liegt.

Die im Bereich außerhalb des Kerns 14 auftretenden von der Erregerwicklung erzeugten magnetischen Felder indu- zieren im Spannungsteiler eine Spannung, die zu dem im Kern 14 induzierten wegabhängigen Nutzsignal addiert wird. Dies würde zunächst nur eine Nullpunktverschie- bung verursachen. Da jedoch die Permeabilität des weichmagnetischen Kernmaterials temperaturabhängig ist, kann dies zu einer Verschlechterung des Temperaturver- haltens führen. Die in dem Spannungsteiler vom Streu- feld induzierte Spannung soll daher so niedrig wie mög- lich sein.

Abhilfe schaffen hier folgende Maßnahmen : -Anordnung des Spannungsteilerelements in ausreichen- der Entfernung. Diese Methode führt zu einer einfachen Konstruktion, jedoch erfordert sie relativ viel Platz.

-Das Spannungsteilerelement 15 wird in den Bereich ei- ner Vertiefung einer der Wicklungshälften verlagert (Fig. 4a und 4b). Hier eignet sich besonders ein Auf- bau, bei dem nur eine Windung als Erregerspule vorgese- hen ist. Fig. 4a und Fig. 4b zeigen ein Schnittbild durch eine entsprechende Anordnung. Das Gehäuse 15 dient als Hinleiter und das Profil 16 als Rückleiter des Erregerstroms. Das Profil 16 ist so gestaltet, daß in einer grabenartigen Öffnung versenkt das Spannungs- teilerelement 17 untergebracht werden kann. Der Kern 18 aus einem Werkstoff hoher magnetischer Permeabilität umschließt das Profil 16, wobei es einen Luftspalt auf- weist, der in der grabenartigen Öffnung des Profils an- geordnet ist, in dem wiederum das Spannungsteilerele- ment 17 liegt.

In Fig 4a und 4b ist der Verlauf der magnetischen Feld- linien dargestellt, die durch den Strom erzeugt werden, der durch das Profil des Gehäuses 15 und das Profil 16 (Rückleitung) fließt. Der Erregerstrom fließt bei die- sem Aufbau vorzugsweise im Oberflächenbereich gegen- überliegender Flache. Dadurch ist der Bereich der gra- benartigen Öffnung weitgehend feldfrei, sofern der Ma- gnetfluß nicht vom Kern beinflußt wird.

Fig. 4a zeigt den Feldlinienverlauf ohne Kern. Hier treten praktisch keine Feldlinien durch das Spannungs- teilerelement 17.

In Fig. 4b-im Bereich des Kerns 18-folgen die Feld- linien wegen der hohen Permeabilität des Kerns 18 vor- zugsweise dem Kern 18 und treten überwiegend im Bereich des Luftspalts durch das Spannungsteilerelement 17, um dort die gewünschte Spannung zu induzieren. Der magne- tische Fluß ist wegen des geringeren magnetischen Wi- derstands höher als im Bereich ohne Kern 18. Es treten zwar hier auch Streufelder auf, die zu einer Verringe- rung des Ausgangssignals führen. Diese stehen jedoch immer im gleichen Verhältnis zum Nutzfeld.

Ein Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Induktivität der Primärwicklung im Bereich außerhalb des Kerns 18 sehr niedrig ist, während sie im Bereich des Magnet- kerns 18 relativ hoch ist. Dadurch tritt im Bereich au- ßerhalb des Meßkerns nur eine geringer Spannungsabfall an der Erregerwicklung auf. Daneben ist der Aufbau we- gen der Form des Profils sehr steif, was eine gute me- chanische Stabilität verschafft. Nachteilig ist aller- dings die aufwendige Gestaltung des Kerns 18.

-Das Spannungsteilerelement wird so angeordnet, daß sich die unerwünschen Streufelder aufheben (Fig. 5a und Fig 5b). Im Gehäuse 19, das als Hinleiter dient, sind Rückleiter 20 gegenüber dem Spannungsteilerelement so angeordnet, daß die magnetischen Feldlinien bei Nicht- vorhandensein eines Kerns das Spannungsteilerelement so durchfluten, daß das Integral des magnetischen Flusses über die Fläche des Spannungsteilerelements zu Null wird (Fig. 5a), soweit es nicht im Bereich des Kerns 22 gebildet wird. Fig. 5b zeigt den Bereich des Kerns 22, wo der Fluß so umgelenkt wird, daß der Magnetfluß nur in einer Richtung durch das Spannungsteilerelement 21 hindurchtritt und dadurch eine entsprechende Spannung in die Meßwicklung induziert.

Da das Spannungsteilerelement nur aus einer Windung be- steht, in welches die auszuwertende Spannung induziert wird, ist die Ausgangsspannung relativ niedrig. Bei den verwendeten Baugrößen lassen sich Querschnitte für den Kern von etwa 0,5 cm2 bei einem Luftspalt von 2 mm er- zielen. Wünschenswert ist eine Arbeitsfrequenz im Be- reich von etwa 100 kHz und eine Ausgangsspannung von wenigstens 0,1 Volt. (Niedrigere Spannungen ergeben zwar noch brauchbare Ergebnisse. Die Auswertung der Ausgangsspannung wird allerdings dann aufwendiger und der Einfluß des Rauschens wird bei hohen Genauigkeits- anforderungen bemerkbar.) Damit kann der für die Durch- flutung erforderliche Erregerstrom abgeschätzt werden.

Es ergibt sich ein Wert von ca 5 A. Dies erfordert eine entsprechende Auslegung des Transformators und der Hin- und Rückleitung. Eine Verringerung des Stroms kann durch Erhöhung der Frequenz, Verringerung des Luftspalts und Vergrößerung der Luftspaltfläche erfol- gen.

Besonders bei großen Meßlängen wird die Speisung wegen der dabei entstehenden Spannungsabfälle aufwendig. Da- neben erzeugt der hohe Speisestrom ein relativ starkes unerwünschtes Streufeld. Es ist daher wünschenswert, den Erregerstrom auf den Bereich des Meßkerns zu kon- zentrieren. Dies ist wie in Fig. 6 dargestellt möglich, wenn der Meßkern 23 mit einer Wicklung 24 versehen wird, die mit einem Kondensator 25 verbunden wird. Die Induktivität der Spule und der Kapazität ergeben einen Schwingkreis, der durch den Erregerstrom JE angeregt wird. Im Schwingkreis fließt der Strom JLC, der multi- pliziert mit der Windungszahl der Spule eine entspre- chende magnetische Feldstärke im Luftspalt des Kerns 23 erzeugt. Wenn der Schwingkreis mit seiner Resonanzfre- quenz betrieben wird, ist zur Aufrechterhaltung der Spannung an der Spule nur noch ein Erregerstrom JE er- forderlich, der zur Deckung der Schwingkreisverluste notwendig ist. Je nach Güte des Schwingkreises ist eine Verringerung des Erregerstroms um den Faktor 10.. 50 <BR> <BR> <BR> <BR> möglich.<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <P>Der Erregerstrom JE fließt über eine Leiter 27 durch den Kern. Die in die Meßwicklung 26 induzierte Spannung wird hauptsächlich durch den durch die Wicklung 24 und den Kondensator 25 fließenden Strom JLC bestimmt. Bei der Auswertung der Meßspannung ist noch zu berücksich- tigen, daß der Erregerstrom JE gegenüber dem Schwing- kreisstrom JLC um 90° phasenverschoben ist, wenn der Schwingkreis in Resonanz ist. Damit wird der Einfluß des Streufelds weiter verringert.

Voraussetzung für eine zufriedenstellende Funktion des Schwingkreises ist, daß er mit Resonanzfrequenz betrie- ben wird. Dies kann durch Abgleich der Oszillatorfre- quenz auf die Schwingkreisfrequenz oder umgekehrt er- folgen. Diese Methode schließt nicht aus, daß sich Os- zillator und Schwingkreis gegeneinander verstimmen. Es ist daher zweckmäßig, den Meß-Schwingkreis als fre- quenzbestimmendes Element eines Oszillators zu verwen- den. Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild einer Anordnung, die den aus dem Kern 30, Spule 31 und Kondensator 32 gebildeten Schwingkreis als frequenzbestimmendes Ele- ment verwendet. Der Kern 30 erzeugt durch eine Änderung des Magnetflusses in der Meßschleife 34 eine Indukti- onsspannung Uo, welche von dem Verstärker 36 verstärkt wird und einen Strom durch die Primärwicklung des Ober- tragers 35 bewirkt. Dessen Sekundärwicklung erzeugt ei- nen Strom durch die Erregerwicklung 33, welcher wieder- um den Kern 30 des Resonanzkreises durchflutet. Bei Re- sonanzfrequenz sind Strom und Spannung in Phase, die Spannung nimmt ein Maximum an. Bei ausreichender Ver- stärkung schwingt die Schaltung mit der Frequenz des von der Spule 31 und Kondensator 32 gebildeten Schwing- kreises.

Als Maß für die Position des Kerns gegenüber dem Stator dient das Verhältnis der Spannungen zwischen dem Aus- gang des Spannungssummierers 41 und der gesamten Sekun- därwicklung 34. Es ist zweckmäßig, die Spannung an der Sekundärwicklung 34 auf einen konstanten Wert zu re- geln, indem man sie nach einer Gleichrichtung mit einer Gleichrichterschaltung 38 mit einer Referenzspannung UR von der Spannungsquelle 40 vergleicht und die Differenz durch Regler 41 auf Null regelt, indem man die Oszilla- toramplitude durch Beeinflussung der Kreisverstärkung der Qszillatorschaltung so einstellt, daß sie mit der erforderlichen Amplitude schwingt. Diese Methode hat den Vorteil, daß die Oszillatorschaltung bei geeigneter Dimensionierung nicht in Begrenzung geht und daher ei- nen sehr geringen Oberwellenanteil aufweist.

In vielen Fällen ist es vorteihaft, wenn der Meßumfor- mer möglichst wenige Anschlüsse aufweist, z. B. wenn sie durch Behälterwände isoliert hindurchgeführt werden sollen. Die notwendige Anzahl der Anschlüsse kann ver- ringert werden, wenn die an der Versorgungsleitung an- liegende Spannung ausgewertet wird. Fig. 8 zeigt ein Beispiel einer derartigen Ausführung. Die Wechselspan- nungsquelle 48 speist über einen Transformator 42 eine Leiterschleife, die aus Leitern 43 und 44 besteht. Ei- ner der beiden Leiter führt durch den verschiebbaren Kern 45. Am Leiter 43 ist die Widerstandsschicht 46 an- geschlossen, welche auf der gegenüberliegenden Seite am Leiter 47 angeschlossen ist. Die Dimensionierung ist so ausgelegt, daß der Spannungsabfall entlang dem Leiter 43 im Bereich ohne Kern 45 klein ist im Vergleich zum Spannungsabfall im Bereich des Kerns 45. Besonders vor- teilhaft ist dabei eine Ausführung des Kerns 45 als Schwingkreis, welcher mit Resonanzfrequenz betrieben wird. Durch das Widerstandselement 46 wird der Span- nungsverlauf am Leiter 43 summiert und über Leiter 47 ausgegeben. Das Problem dieses Aufbaus liegt darin, daß die durch den Speisestrom des Meßumformers verursachten Spannungsabfälle an Leiter 43 und 44 in die Ausgangs- spannung mit eingehen. Dies äußert sich in einer Null- punktverschiebung und einer Verringerung des Ausgangs- signals. Bei Bedarf kann daher eine Kompensation durch eine stromabhängige Korrekturspannung vorgesehen wer- den.

Im folgenden werden als Winkelsensoren ausgebildete in- duktive Meßumformer beschrieben.

Bei Winkelsensoren ist es möglich, die Erregerspule feststehend anzuordnen und direkt mit dem Oszillator zu speisen. Dadurch entfällt die Erregerwicklung und der Transformator zur Anpassung an den Oszillator. Je nach Meßbereich und Genauigkeitsanforderung bieten sich un- terschiedliche Bauformen an.

Die Beste betrifft einen Winkelsensor mit Ringspule.

Besonders vorteilhaft bei Meßbereichen über 90° ist ei- ne Anordnung mit einer Ringspule, die konzentrisch zum Drehpunkt der Meßwelle liegt. Hier ist wiederum eine Anordnung mit einem im Drehpunkt auf die Meßwelle auf- gesetzten Meßkern und einem exzentrisch (außerhalb des Drehpunkts) aufgesetztem Meßkern mit durchgehender Meß- welle (Hohlwelle) zu unterscheiden. Eine konzentrische Ringspule ist überall dort erforderlich, wo der Dreh- winkel nicht begrenzt ist.

Fig. 9 zeigt einen Winkelsensor mit Ringspule und im Drehpunkt aufgesetztem Meßkern für einen Meßbereich von ca 90°. Ein Meßkern 1 besteht aus zwei gleichartigen Ferritkernen, die ein Joch aus dem ringförmigen Mittel- stück, dem daran anschließenden rechteckförmigen Steg und den daran anschließenden Ringsegementen, die sich mit einem Luftspalt d gegenüberliegen. Der Meßkern 1 ist mit einer Welle 200, deren Winkel gegenüber einem feststehenden Meßelement 3 gemessen werden soll, me- chanisch verbunden. Das feststehende Meßelement 3 liegt zwischen den beiden Kernhälften. Auf einer fla- chen Trägerplatte 2' ist eine elektrisch leitende Bahn 4' in Form einer Leiterschleife aufgebracht, welche an den Enden mit Anschlüssen 5 und 6 verbunden ist. Die- se Leiterschleife wird aus Kreisbögen 7 und 8 sowie den Verbindungen untereinander und zu den Anschlüssen 5 und 6 hergestellt. Eine weitere Leiterbahn 9' in Form eines Kreisbogens ist mit einem Anschluß 10' ver- bunden. Zwischen den Leiterbahnen 7 und 9 ist auf der Trägerplatte eine Widerstandsschicht 11 aufgebracht.

Ebenfalls auf der Trägerplatte 2' ist eine ringförmige Spule 12 angeordnet, welche wie die Trägerplatte 2 zwischen den beiden Kernhälften des Meßkerns 1 ange- ordnet ist.

Wenn die Spule 12 von einem Wechselstrom durchflossen wird, entsteht eine Magnetfluß, der vorzugsweise durch den Ferritkern und über den Luftspalt des Meßkerns 1 fließt. Damit erzeugt er in bekannter Weise in der Lei- terschleife 4'eine winkelabhängige Spannung, welche durch das Widerstandselement summiert und an den An- schluß 10 geführt wird.

Neben dem beabsichtigten Meßfluß Cm tritt ein unge- wünschter (winkelunabhängiger) Streufluß Cs auf, wel- cher zusätzliche Erregerleistung beansprucht und das Nutzsignal verkleinert. Um den Streufluß gering zu hal- ten, wird diese Spule so nahe wie möglich am Meßkern angeordnet und z. B. als Zylinderspule angeordnet. Der innere Kerndurchmesser und der Spulendurchmesser ist auf das notwendige Maß zu beschränken.

Die Spule ist auf elektrische Anschlüsse 13' und 14' geführt. Zur Kompensation der induktiven Blindströme ist in bekannter Weise ein Kondensator 15 parallel zur Spule gelegt. Bei Betrieb mit Resonanzfrequenz wird nur noch so viel Strom benötigt, wie zur Deckung der Schwingkreisverluste benötigt wird.

Bei einer Fehlerbetrachtung zeigt sich, daß in erster Linie ein Achsversatz zu Meßfehlern führt. Es ist daher anzustreben, das Verhältnis zwischen dem effektiven Ra- dius R, den die Polschuhe des Meßkerns beschreiben, zu einem anzunehmenden Achsversatz möglichst groß zu ma- chen. Dies kann dazu führen, daß verhältnismäßig große Meßkerne verwendet werden müssen. Andernfalls muß ein höherer Aufwand für eine genaue Bearbeitung oder Justa- ge getrieben werden.

Zur Verringerung des Fehlers durch Achsversatz kann bei Meßwinkeln von weniger als 180° der Aufbau symmetrisch ausgebildet sein. Der Meßkern weist dann zwei um 180° versetzte Schenkelpaare auf, die von einer gemeinsamen Ringspule gespeist werden, und auf entsprechend ange- ordnete Meßschleifen mit je einem Widerstandselement einwirken.

Fig. 11 beschreibt einen derartigen Aufbau. In einem Gehäuse 30 ist eine Welle 32 drehbar gelagert. Auf der Welle 32' ist ein weichmagnetischer Kern 33 befe- stigt. Der Kern 33' besteht aus einem zylindrischen Mittelteil 34 und und davon ausgehenden vier Schenkeln 35, von denen sich jeweils ein Paar im Winkel von 180° gegenüberstehen. Die einzelnen Schenkelpaare 35' bil- den einen Luftspalt, in dem eine Leiterplatte 31 liegt.

Die Leiterplatte 31' weist einen ähnlichen Aufbau wie die Leiterplatte 2 der oben in Verbindung mit Fig. 9 beschriebenen Ausführungsform auf. Sie hat zu den vor- handenen Leiterbahnen, der Widerstandsschicht und elek- trischen Anschlüssen 36 noch spiegelbildlich eine zweite Anordnung 37 von Leiterbahnen, Widerstandsele- ment und elektrischen Anschlüssen. Eine Erregerspule 38 ist von einem Wechselstrom durchflossen, der in den beiden Luftspalten einen annähernd gleich großen Ma- gnetfluß hervorruft. Die Ausgangsspannungen der beiden Widerstandselemente 36 und 37 werden so ausgewertet, daß sie in gleicher Weise zum Meßergebnis beitragen.

Wenn ein Achsversatz auftritt, wird zwar die Ausgangs- spannung des einen Teils 36 einen Fehler aufweisen.

Dieser wird jedoch durch einen entsprechenden entgegen- gesetzten Fehler des anderen Teils 37 weitgehend aus- gegleichen.

Mit dieser Anordnung lassen sich sowohl Fehler durch eine Verschiebung der Leiterplatte gegenüber dem Dreh- punkt als auch Fehler durch Exzentrizität des Rotors oder Lagerspiel weitgehend ausgleichen.

Ein weiterer Vorteil ist, daß durch den symmetrischen Aufbau keine Unwucht entsteht.

Bei großen Wellendurchmessern oder großen Meßradien R, speziell bei Hohlwellensensoren, ist der Aufbau eines oben beschriebenen Winkelsensors meist wegen des großen Meßkerns unwirtschaftlich. Daneben tritt wegen des lan- gen Wegs über den Umfang des Kerns ein erheblicher Streufluß auf, der zu einer Verringerung des Nutzsi- gnals führt.

Als Alternative dazu bietet es sich an, einen Kern zu verwenden, bei dem nur ein Teil der Kreisfläche der Spule vom Ferritkern durchdrungen wird. Bei hoher rela- tiver Permeabilität des Kernmaterials wird bei gleichem Erregerstrom der Spule, Luftspaltfläche und-Länge die gleiche Spannung in die Meßschleife induziert. Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß sich ein sehr star- ker Streufluß ausbildet, der eine erhöhte Erregerlei- stung erforderlich macht und zusätzlich winkelunabhän- gige Spannungen in die Meßschleife induziert.

Dieser Nachteil kann dadurch weitgehend beseitigt wer- den, daß durch einen Kurzschlußring außerhalb des Meß- kerns ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt wird, was zu einer Verringerung des Streufelds führt und die Induktion winkelunabhängiger Spannungen in der Meß- schleife verringert.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Art. Auf einer Welle 18 mit relativ großem Durchmesser ist mit Hilfe eines Trägers 19 seitlich ein Kern 17' befe- stigt. Der Kern 17' besteht aus weichmagnetischem Mate- rial. Er wird aus zwei gleichartigen Hälften gebildet, die jeweils aus einem inneren und einem äußerem Ringsegment und einem dazwischenliegenden Verbindungs- steg bestehen, die auf der Seite der Welle ohne Luftspalt miteinander verbunden sind. Zwischen dem Kern und der Welle liegt ein Kurzschlußring 20, der im Be- reich außerhalb des Kerns 17' am Umfang des Trägerkör- pers 19' liegt, jedoch im Bereich des Kerns zwischen Kern 17' und Welle 18 hindurchgeführt ist.

Mit den Innenseiten der äußeren Ringsegmente des Kerns 17 bildet dieser einen Luftspalt, in dem die Träger- platte AufdieserTrägerplatte16'istnochliegt. eine Zylinderspule 30 angeordnet, welche die Welle 18, den Trägerkörper 19, das innere Ringsegment des Kerns 17 und einen Kurzschlußring 20' in geringem Ab- stand umschließt. Auf der Trägerplatte 16 befinden sich noch eine Leiterschleife 21', mit Anschlüssen 26 und 24, eine Leiterbahn 22' mit einem Anschluß 25', eine Widerstandsbahn 23, Spulenanschlüsse 27 und 28 und ein Schwingkreiskondensator 29. Die Funktion die- ser Elemente geht aus der Beschreibung von Fig. 9 her- vor, auf die Bezug genommen wird.

Der Kern 17 bildet wegen des hohen relativen Permeabi- litätsfaktors seines Materials und des kurzen Luftspalts einen verhältnismäßig geringen magnetischen Widerstand. Dadurch bildet sich bei einem Stromfluß durch die Spule 20 vorzugsweise ein Magnetfluß durch den Bereich des Luftspalts aus. Da jedoch die Spule 20 einen großen Durchmesser aufweist und außerdem die Wel- le ein undefiniertes magnetische Verhalten zeigt, wird sich ohne den Kurzschlußring 20 ein störendes Streu- feld ausbilden. Wenn ein Wechselstrom durch die Spule 30 fließt, wird im Kurzschlußring 20 eine Spannung induziert, welche eine Stromfluß entgegen dem Erreger- strom IE hervorruft. Dadurch bildet sich ein Magnetfeld aus, welches dem Magnetfeld der Spule entgegengesetzt ist, sodaß das resultierende Magnetfeld stark ge- schwächt wird. Dies gilt jedoch nicht im Bereich des Magnetkerns 17, weil dort der Kurzschlußring hinter dem Kern herumgeführt ist.

Wie oben beschrieben kann auch bei Meßwinkeln von weni- ger als ca 120° ein symmetrischer Aufbau mit zwei Ker- nen und gemeinsamer Erregerspule zur Verringerung der Fehler durch Achsversatz aufgebaut werden.

Besonders bei kleinen Bereichen für den Meßwinkel ist es vorteilhaft, einen großen Abstand zwischen dem Dreh- punkt und dem Widerstandselement vorzusehen, um Fehler durch Achsversatz zu verringern. Bei großem Achsabstand ist die Verwendung von Erreger-und Schwingkreisspulen in Form konzentrischer Spulen wegen der dafür notwendi- gen großen Spulendurchmesser und Kerne nicht mehr zweckmäßig.

Es ist daher vorteilhaft hier einen abgewandelten Line- arweggeber für kurze Meßstrecken zu verwenden. Die Er- regerspule steht dabei fest und wird direkt vom Oszil- lator gespeist. Sie bildet zusammen mit einem Kondensa- tor einen Schwingkreis. Die Erregerspule durchflutet den Meßkern, der mit der Welle, dessen Winkel gegenüber dem Gehäuse zu messen ist, über einen Arm mechanisch verbunden ist. Der Meßkern durchflutet wiederum die be- reits bekannte Meßschleife mit der Widerstandsschicht und erzeugt so ein winkelabhängiges Ausgangssignal.

Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Aus- führung eines Winkelsensors nach dem oben beschriebenen Funktionsprinzip. In einem Gehäuse 40 ist eine Welle 41 drehbar gelagert. Mit der Welle ist ein Arm 42 fest verbunden. Am Ende des Arms ist ein weichmagneti- scher Kern 43 befestigt, der bei Drehung der Welle ei- nen Kreisbogen beschreibt. Der Kern 43 bildet ein Rechteck, das durch einen Luftspalt unterbrochen wird.

Eine Spule 45' und eine Leiterplatte 44' sind mit dem Gehäuse fest verbunden. Die Spule 45' ist so angeord- net, da# der gerade Schenkel des Meßkerns 43 durch sie hindurchgeht. Die Leiterplatte 44' liegt im Luftspalt des Meßkerns 43. Im Bereich, der vom Luftspalt des Meßkern bei der Bewegung über den vorgesehenen Meßbe- reich überstrichen wird, befindet sich eine Meßschleife 47, welche nicht näher beschrieben werden muß. Die Spule weist einen möglichst geringen Querschnitt auf, damit der Streufluß, der außerhalb des Meßkerns die Meßschleife durchflutet, möglichst gering bleibt. Zudem ist die Wicklung so flach ausgeführt, daß sie durch den Luftspalt des Kerns 43'hindurchgeführt werden kann.

Dadurch ist es möglich, einen Kern aus einem Stück zu verwenden.